碳減排趨勢下的煤化工新發展的思考

田崟墻，屈桂洋，李 斌，牛鴻權，崔智輝

(陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000)

據2020年版《BP世界能源統計年鑒》統計，我國2019年能源總消耗為141.70×1012MJ，其中核能、水力發電和可再生能源能耗合計為21.06×1012MJ，約占能源總消耗的14.86%，剩余85.14%由石油、天然氣和煤碳等化石能源組成，而這其中的67.70%是由煤炭所貢獻，消耗量為81.67×1012MJ，約合標準煤27.86億噸。

習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論會上提出了我國力爭在2030年前二氧化碳排放達峰、努力爭取2060年前實現碳中和的目標[1]。“碳達峰、碳中和”的目的和首要任務均在于碳減排，考慮到核能、水電和可再生能源碳排放量很低，甚至可以忽略，因此，碳減排重點在于降低化石能源消耗，尤其在控制煤炭能源的消耗，這不僅對煤炭加工過程提出了新的要求，也對煤炭產品的終端利用作出了限定。在此趨勢下，可以合理推測，清潔能源在未來會得到充分發展，與此同時去能源化也將是煤化工發展必然趨勢——煤炭在能源領域的一部分占比逐漸被清潔能源所替代，由此煤基化工材料、煤基新材料將是煤炭未來發展的必由之路。

目前，煤炭的利用途徑主要包括：直接作為燃料燃燒或火力發電；以氣化、熱解、液化等工藝生產的煤氣、煤基燃料油及煤焦等煤基產品作為終端燃料；以氣化、熱解、液化等工藝為龍頭，生產煤基化工材料，進而得到高端化工產品；直接以煤為基礎材料生產煤基新材料產品。

1 煤直接燃燒利用

取暖以煤直接作為燃料，煤炭直接燃燒后所產生的廢氣中主要是碳氧化物、氮氧化物、二氧化硫和煙塵。其中碳氧化物包括CO、CO2，CO是一種有毒氣體，CO含量越多，說明煤的燃燒更加不完全，造成能源的浪費。CO2是溫室氣體的主要成分，是造成溫室效應的罪魁禍首。煤炭中的硫、氮等組分會轉換為SO2、NO2、NO等污染性氣體，SO2和NO2是形成酸雨的主要成分。煙塵則是微笑的固體顆粒，大量排放會形成霧霾，而且空氣中PM2.5含量也會升高，造成環境污染。目前，各個城市在大力支持集中供暖、煤改氣、煤改電等政策，燃煤時代必將成為歷史。

另外煤直接燃燒大多數是火力發電形式，其碳排放量在全國碳排放總量中的占比超過40%[2]。火力發電1 kW·h的碳排放量是270.0 g，而水電、風電、光伏發電1 kW·h的碳排放量分別為4.8 g、33.7 g、34.3 g[3]，核電碳排放量更可以忽略不計。由此對比可知，煤作為火力發電過程中，二氧化碳排放量最高，更加加劇了環境的溫室效應。在當前的環保政策下，結合國家碳交易機制的干預，水電、風電、光伏等環境友好型電力將會得到廣泛推廣，而火電在全國電力系統中的占比將逐步減少。

當然，風電和水電受自然條件限制較大，而光伏發電和核電投資成本較高，在光伏、風電、水電、核電等清潔能源尚未得到充分利用之前，依托二氧化碳捕集技術，在一個較長的過渡期內，火電在電力系統中依舊占據較大比重，直至真正實現碳中和。不過，由于二氧化碳捕集是一個耗能過程，燃燒后捕集技術、燃燒前捕集技術、純氧燃燒技術分別會使能源系統熱效率下降9%～15%、5%～8%、7%～12%，因此，在這一過渡期乃至實現碳中和后，火電系統仍需大力開發低能耗、低成本的二氧化碳捕集技術[4]。目前國內首個焦煤煙氣7500噸/年二氧化碳補集示范項目正式投入使用并產出合格產品。經首次取樣檢測，二氧化碳產品氣干基含量高達99.62%，后期經提純后高純級二氧化碳體積分數可達99.99%，可廣泛的應用于氣體肥料、制冷劑、工業原料、食品應用等多個領域。此項目對整個焦化行業落實碳中和、碳達峰做出了積極有效的探索。另外目前最新的二氧化碳捕集技術用于合成汽油，由中國科學院大連化學物理研究所和和珠海市福沺能源科技有限公司聯合開發的全球首套1000噸/年二氧化碳加氫制汽油中試裝置，近日在山東鄒城工業園區開車成功，生產出符合國VI標準的清潔汽油產品。

此外，鑒于目前捕集下來的二氧化碳的利用途徑主要還停留在食品、干冰、驅油劑等物理性質的利用階段，且用量相對較少，而二氧化碳地質封存和海洋封存還存在一定技術難題以及潛在危害性，因此，還需要廣泛研發和推廣二氧化碳清潔、高效的化學轉化技術，使捕集下來的二氧化碳真正實現資源化利用。

2 煤基燃料的發展與利用

煤基燃料泛指以煤為原料，通過氣化、熱解、液化等技術生產的煤氣、汽油、柴油、航煤、甲醇制汽油、乙醇燃料等作為終端燃料的產品。

目前我國的能源結構依然為富煤、貧油、少氣的特點，隨著社會經濟的發展，我國也是第二大石油進口國，長期以往，國內石油市場受國際油價影響較大，以煤為原材料，生產的煤制油品將有效的緩解國內對進口石油的依賴性。但是對于不用工藝生產的煤基燃料組成和性能都差異較大。例如利用煤直接液化技術生產的柴油，與石油基柴油相比，餾程較輕，干點較低，凝固點和冷濾點分別為-55 ℃和-50 ℃左右，十六烷值很低，無法直接作為車用成品油進行使用[3]。而利用費托合成工藝生產的柴油十六烷值高、硫和芳烴含量低、冷濾點不高，是理想的優質柴油調和組分[4]。直接液化的柴油可與高十六烷值的費托合成柴油或石油基柴油按一定比例調和可以制備優質車用柴油。而經煤焦油加氫提質得到較為理想的石腦油和柴油，但是其油品芳烴含量過高，但是仍然可用于柴油調和。與石油基相比，煤焦油加氫得到的油品密度較高，膠質瀝青含量較高，更加適用于航煤的研究[5]。

目前來看煤基燃料在國民經濟中占據重要的地位，據產業信息網統計，2019年我國煤制油產量相對較少為745.6萬噸，但煤制氣達43.2億立方米。煤基燃料不僅在生產過程中會產生碳排放，同時其終端作用必須以碳排放方可實現，且很難實現對移動、分散用戶進行二氧化碳捕集[6]，煤基燃料除了上述直接用于燃燒的汽油、柴油、煤氣等產品外，還有一個特殊的存在，即冶金焦，其消耗量相當可觀，據統計，2019年其表觀消費量為4.65億噸[7]。嚴格意義上講，冶金焦不能算作燃料，因為其在金屬冶煉過程中，主要起還原作用，而非提供能量，氧化劑不是氧氣，而是鐵礦石Fe2O3。目前，我國逐漸開展了高爐富氫氣體冶煉技術、氫冶金直接還原技術的研究開發工作，且在提高產品質量、降低焦炭消耗方面均有良好表現[8]。當我國清潔電力能源得到極大發展、電解水制氫能耗不再是主要制約條件時，冶金焦用量將會大幅下降。

煤基燃料雖然可以暫時性的有效緩解石油短缺的問題，但是從跟本上來看，煤基燃料使得煤炭資源得到了更加高效的分質化利用，但以最終排放形式來看，最終還是以CO2形式排放，碳排放量有一定的降低，但并沒有得到大幅度的降低。從長遠來看，依舊得不斷進行技術改進，大力發展新能源，例如電能、氫能動力在交通運輸業的逐步發展以及太陽能、電能等清潔能源的廣泛應用，這些新能源最重要的在于解決新能源的穩定使用和儲能材料的新能不斷提高，以及儲能材料的回收利用性，只有不斷地技術創新，才能讓新能源在生活中更加廣泛的使用，這樣才能真正意義上減少化石燃料的使用率，燃油乃至燃氣的市場應用占比將逐漸降低。

3 煤基化工新材料的工業發展

煤基化工材料是指以煤為原料，通過氣化、熱解、液化等技術生產的煤氣、焦油、合成氣等作為化工原料，通過加氫等工藝生產其他更多種類的化工新材料，例如煤制甲醇、乙醇、乙二醇、乙二醛、聚烯烴、聚碳酸酯等化工產品，生產的化工新材料可用于各行各業中。這種工藝使煤深度加工，實現了更加高值化的能源利用，同時直接降低二氧化碳的排放量，實現技術和環境的雙重收益。

煤的熱解是指煤在隔絕空氣、高溫的條件下，發生一系列物理和化學反應，生成煤氣、煤焦油和焦炭或焦炭的過程。依據原料煤種類、反應溫度、氣氛以及工藝的不同，所得熱解產品組成及性質也存在一定差異。基于高溫冶金焦在一定程度上將被氫氣所替代的判斷，以后煤熱解工藝主要為多產焦油的煤的中低溫熱解。總體而言，在碳減排的政策導向下，煤熱解產品煤氣可生產LNG產品，焦油需走精細化工產品分離、加氫制芳烴，高含量石腦油可以進行催化重整、芳烴抽提的化工材料路線，而低溫熱解半焦可走針狀焦等非燃料化工路線。

煤氣化同樣存在多種工藝，不同的氣化工藝和不同的氣化劑，得到的氣化煤氣(合成氣)產品的組成也有較大差異，其CO2含量在1%～31%不等，其作用也不相同[9]。目前根據氣化應用原理不同，煤氣化的主要工藝分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化。

利用固定床氣化工藝對干煤粉進行氣化，氣化后得到的合成氣中CH4含量較高，熱值較高，更加適用于煤制天然氣方面；利用流化床氣化產生的合成氣中，常壓空氣氣化時可燃氣體成分接近50%，加壓富氧條件下可達到80%以上，流化床氣化技術常用于一些中低熱值工業燃氣或者也可以作為合成氨的首要處理步驟。利用氣流床氣化工藝時，H2和CO含量較高，CO2含量較低，碳轉化率最高可達到99%，而合成氣中CH4含量較低，更適用于化工原料的生產。因此不同的工藝所產生的合成氣的組成和用途也各不相同[10]。

鑒于煤炭的去能源化考慮，煤氣化將以生產合成氣為主，在此，需大力解決二氧化碳的捕集和資源化問題，比如深入研究并發展二氧化碳干氣重整技術等，實現煤氣化技術的低碳化發展。鑒于煤間接液化依托于氣化煤氣費托合成，其碳減排可借鑒煤氣化過程。

煤直接液化是把固體狀態的煤炭在高壓和一定溫度下直接與氫氣反應(加氫)，是煤炭直接轉化成液體產品的工藝技術[11]。單純從碳減排一個方面考慮，煤直接液化屬于目前最為清潔的煤炭深加工技術，該技術的發展主要受限于氫氣的來源。在綠色氫能源未得到充分發展之前，該技術很難得到大規模應用。當然，在氫氣來源問題得到很好的解決之后，煤液化產品可參考煤焦油走化工材料路線。

煤基化工新材料與煤基燃料既有共同之處，同時也存在根本區別。二者的共同之處在于，都是以煤為原料，通過氣化、液化、熱解等技術手段所獲得，區別在于煤基燃料無法徹底降低二氧化碳排放量，而是作為替代能源形式展現；而煤基化工材料則由煤基化工原料生產所得，其本身物態即為其生命終極物態。因此，我們只需要實現從煤炭到煤基化工原料、再到煤基化工新材料這一生產過程的碳減排，即完成了煤基化工材料低碳工業發展的目的和使命。

4 煤基新材料的研究應用

煤分子中存在一些特殊功能高分子材料所具有的單元結構，近些年來，以煤為原始物的煤基高分子功能材料和復合材料得到了廣泛研究和開發，諸如煤基石墨烯材料[12]、電池[13]、環氧樹脂[14]等功能高分子材料以及煤基聚合物合金材料、碳纖維復合材料等[15]，均屬于高附加值、高技術含量的煤基新材料。這類產品以煤為基礎，應用領域廣泛，目前多數處于實驗室研究階段，工業化生產尚未實現，在未來必將是煤化工高值化發展的方向之一。

目前煤基石墨烯材料的制備方法主要有氧化還原法和化學氣相沉積法，不同的制備方法取決于煤的變質程度。對于變質程度高的原煤，例如貧煤、無煙煤等，含碳量高，雜質含量較低，在高溫反應條件下利用氧化還原方法使得芳烴發生加氫環化反應，逐漸融合成大尺寸的石墨晶體，從而得到煤基石墨烯。而對于變質程度較低的原煤，例如長焰煤、焦煤等，含碳量較低，脂肪烴和含氧管能團含量較高，可以通過化學氣相沉積法將裂解的氣態物質作為工作氣體制備煤基石墨烯。付世啟以[16]以灰煤為原料，經2500 ℃高溫石墨化處理得到煤基石墨，并通過靜電紡絲技術，獲得負載多孔炭納米纖維的煤基石墨烯。

以煤為原料制備煤基石墨烯，對原煤的選擇十分重要。原煤石墨化的過程需要在高溫的條件進行，兩中制備方法中，基本在1000 ℃高溫中去除雜質，2000 ℃以上進行熱解石墨化。由于制備過程中高溫環境，對設備要求較高，現在還沒有進入工業化生產階段，因此煤基石墨烯材料有更大的發展空間。

由于煤的碳含量較高，在高溫條件下可以形成較高比表面積的物理結構，這種特性讓其在電池儲能方面也有了更高的性能。煤炭可制備為針狀焦、多孔炭材料作為電池負極材料。焦妙倫等[17]將炭化處理后的針狀焦制備得到的負極材料，電化學測試首次庫倫效率和儲鋰能力在經過100寸循環后容量保持率高達99.67%。李君等[18]制備的煤基球形多孔碳在100 mA/g的電流密度下，首次放電比容量可達到1188.9 mAh/g，遠高于商業石墨負極372 mAh/g的理論比容量。此外,該材料還表現出了良好的循環穩定性,經歷200圈循環后的放電比容量為844.9 mAh/g。對煤炭炭化、石墨化及摻雜改性等方式制得可逆容量、首次效率和循環性能等電學性質優異的負極材料，煤基電池未來在儲能方面具有巨大的潛力市場。

高峻婷[19]將煤用混合強酸(VH2SO4:VHNO3=1:3)處理得到氧化煤(OC)，以氧化煤為碳源，采用靜電紡絲法和煅燒處理制備了多孔煤基碳纖維，經過測試發現在750 ℃下煅燒的樣品擁有較好的循環穩定性和倍率性能，在1 A/g條件下經過150次循環后，可逆放電容量達到159.3 mAh/g，容量保持率為92%，經過1000次循環后，可逆放電容量為132.8 mAh/g。優異的電化學性能歸因于多孔煤基碳纖維構成的獨特的三維(3D)網絡框架，該框架增加了材料的導電性，縮短了電子和Na+的傳輸路徑，加快了反應動力學。煤基碳纖維用于鈉離子電池作為一種新型的儲能材料，具有更大的發展空間。

由此分析，煤基新材料現實驗研究結果表明，煤基新材料儲能性能較高，有望在低速電動汽車或大規模儲能體系等領域實現商業化生產，這樣既實現了煤炭資源的高值化利用，又實現了碳減排的目標，在未來新能源的發展中，煤炭資源以新的加工方式在新能源行業里占據一定的市場份額。

5 結 語

綜上所述，以國家能源安全為前提，在碳減排大環境下，煤化工未來的發展趨勢將會是逐步實現去能源化，以煤為直接燃料及煤基燃料主導的火力發電和工業生產技術產能在很大程度上會被清潔能源所取代，剩余產能需要充分依托先進高效的二氧化碳捕集技術及二氧化碳化學轉化技術。煤基化工產品合成由簡單的化工原料趨向于煤炭資源更深層次，更加清潔高效分質化精細化工發展，從而實現煤炭資源最大化利用。煤基新材料將由于其應用終端無二氧化碳排放將得到長足發展，煤基新材料的研究及工業化生產將是煤炭資源未來發展的必然趨勢。